基于安全监测的软质岩路堑高边坡稳定性综合评价研究

金海元

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

近20年来，我国铁路建设快速发展，山区新建的铁路工程不断增加，在地形地质条件复杂的山区铁路建设中，不可避免地存在大量的深挖方路堑高边坡，有的高达数十米，因此，对边坡工程的安全提出了更高要求，路堑高边坡的设计阶段及施工和运营阶段的稳定安全性值得关注。向莆铁路福建段内的尤溪车站软质岩路堑边坡最高达70余m，根据相关文献和规范［1-3］进行了边坡设计，采用了桩板墙和框架预应力锚索等进行了边坡支挡。同时，针对边坡的变形及支挡结构的受力等进行了监测设计［4，5］。文章通过对边坡的监测成果进行分析研究，对边坡的稳定性进行综合评价。

1 概述

向莆铁路尤溪车站位于福建省尤溪县西南方向的西城镇，属于剥蚀低山区，山坡自然坡度30°～45°，山间谷地呈狭长带状分布，纵坡起伏大。出露基岩为侏罗系下统粉砂岩、砂岩，以钙泥质胶结为主，局部夹砖红色泥质粉砂岩、泥岩，全～弱风化。岩层产状230°∠25°，岩层走向143.57°，视倾角25.0°。受溪口 -秀溪区域断裂的影响，节理裂隙发育，岩体破碎，强风化层厚＞20 m。地下水以基岩裂隙水为主，较发育［1］。

尤溪车站DK395+020.00～DK395+240段路堑右侧边坡为深挖方高边坡，边坡最大设计高度约72 m，采用台阶式边坡，共有7级，坡率1∶1，采用压力分散型框架锚索进行边坡支护，框架梁内三维排水柔性生态边坡防护。最下级边坡采用锚索桩板墙结构支护，台阶式边坡每隔10 m一级平台，平台宽2.0～4.0 m，如图1所示。

图1 DK395+0.0～DK395+240.0右侧边坡正面

2 边坡安全监测布置

边坡安全监测本身是一套完整的体系，边坡监测的目的和任务就是为评价边坡在施工期、运营初期和正常运营期提供所需要的资料，监测边坡时空域演变信息、诱发因素等，最大程度获取边坡各种状态下的有效数据，应用于边坡稳定性评估。

2.1 边坡监测的主要内容

边坡监测的主要内容包括变形和应力监测。

(1)边坡变形监测，包括浅层和深层变形。

(2)边坡应力监测，包括边坡内部应力、支挡结构应力测试。

2.2 边坡监测方法

(1)钻孔测斜仪可以监测岩体深部位移，而且由于其测点沿深度方向连续布置，对垂直埋设的测孔而言，可以近似地获得岩体沿深度方向上的连续的水平位移变化情况。考虑到边坡地形条件的限制，本项目采用钻孔测斜仪，监测深路堑边坡开挖支护过程中，边坡岩体内部水平变形，以此监测分析高边坡岩体的变形机理。

(2)边坡内土压力监测采用智能记忆型土压力盒，安装在桩背，从桩顶到桩底每隔一段深度埋设土压力盒。

(3)锚索受力监测采用三弦智能型穿心式力传感器。

2.3 边坡监测元器件布置

根据上面边坡监测设计的主要内容和方法，向莆铁路尤溪车站路堑边坡典型断面上布置了测斜孔、锚索测力计以及桩后土压力盒以监测边坡的变形和应力情况。典型监测断面如图2所示。

图2 典型断面监测元器件布置

3 边坡监测成果分析

3.1 边坡水平位移监测成果

随着每级边坡的开挖施工，在测斜孔的设计位置安装了测斜管，经过近3年的监测得到了大量的边坡水平位移监测成果。以DK395+110断面线路右侧39.84 m处的水平监测成果为例(图3)，分析边坡水平位移的变化情况。

图3 DK395+110右侧39.84 m处测斜曲线

图3中位移为垂直边坡向水平相对位移，垂直边坡向左为“+”。

从图3中可以看出，每级边坡位移大部分出现在边坡的上部，从上到下位移不断减小，变形区域主要集中在各级平台下10 m范围内，夏季雨期监测到的位移值略显偏大，随着边坡的开挖和边坡高度增加，位移逐渐增加［6］。边坡最大水平位移量51.9 mm，发生在DK395+110右侧39.84 m处，即最下一级边坡处。其他部位位移量为10～30 mm。

总体上，随着边坡的开挖，边坡不断向临空面方向产生位移，随着边坡的开挖及边坡高度的增加，位移量不断增加，但随着边坡开挖完成，边坡位移变化率越来越小，受边坡开挖施工及夏季雨期的影响，边坡位移变化有一定的波动，但截止到2013年6月，位移基本不再发展，边坡已经趋于稳定。

3.2 预应力锚索应力监测成果

锚索测力计主要是用来长期监测预应力锚索的应力状态，通过锚索的受力状态来评价边坡的变形受力状态［7］。边坡分级开挖，分级支护，随着每级边坡开挖支护完成，锚索测力计也随即安装。经过近三年的时间，取得了大量的预应力锚索的应力监测成果，如图4所示。

图4 DK395+110断面锚索锚固力监测值

由图4可以看出，锚索设计荷载为350 kN，超张拉后的锁定锚固力为385 kN，安装后初期锚索的锚固力损失较快，下降到360 kN左右，下降了6.5%左右。锚索的前期锚固力损失与锚固初期岩体结构面的压缩变形、锚索的施工工艺及锚索的材料回弹等有直接关系。锚固力下降到一定水平后，基本会随着混凝土的徐变和钢绞线的松弛等缓慢降低，图中锚索锚固力的波动与边坡的施工扰动关系密切，岩体的开挖卸载，形成较大的临空面，岩体内部应力得以释放，岩体向临空面方向发生变形，从而增加了预应力值。这种增加预应力的效应具有明显的时间性，随着施工期的结束，锚固力的变化将逐渐趋缓。

另外，锚索锚固力的波动与降雨也有较大关系，雨季锚索的锚固力会有所增加，降雨量及降雨历时对锚固力的影响集中反映在岩体裂隙较为发育，渗透系数较大的部位。降雨对岩锚预应力的影响主要表现为锚固应力的增加，而且，具有时间滞后效应。总体上，目前边坡已经施工完毕，锚索的锚固力也相对比较稳定，工作状态良好，锚固力的小幅振荡属于雨季和温度影响的正常范围。

3.3 桩背土压力监测成果

桩板墙施工时，分别在桩背 1、3、5、7、9 m 的位置埋设土压力盒以监测桩上土压力分布情况，图5为桩后土压力监测曲线。

图5 DK395+110断面桩后土压力分布曲线

由图5可以看出，DK395+110断面桩后的土压力分布近似呈两个“三角形”分布形式，这与此断面边坡的地层条件相关，在平台下5 m的位置以上为强风化地层，岩体较破碎，变形较大，土压力分布符合三角形主动土压力分布形式。在5 m以下为弱风化地层，变形较小，土压力也呈三角形分布，但大小更接近于静止土压力。

值得一提的是，桩后土压力的分布规律与岩土体性质、地下水分布、支护结构的刚度、变形、位移模式、支锚的设置以及施工空间效应等多种因素有关，所以土压力的分布规律也十分复杂，分布规律和大小会与理论值有所偏差，属于正常情况。本边坡桩后土压力监测已近3年，施工期基本结束，土压力也基本稳定，但随着时间的增加，土压力有一定的波动变化与降雨有较大关系，在雨季桩后土压力会有所增加，雨季过后则土压力又恢复正常状态。

4 边坡稳定性综合评价

综合分析DK395+110断面边坡的水平位移、锚索锚固力及桩背土压力监测成果得到如下结论。

(1)桩板墙后边坡水平变形较大，最大达51.9 mm。上部边坡变形相对较小(10～30 mm)。边坡可能滑动面分布在表层的强风化岩层内，在边坡中部可能存在剪出口。目前边坡变形已趋于稳定。

(2)锚索的锚固力在安装初期会有一定减少，但随着边坡变形的增加，锚固力相应有一定的增加。锚固力随边坡的开挖及降雨会有一定波动，但波动较小，目前锚索锚固力已经基本稳定。

(3)桩板墙后土压力符合库伦土压力理论，施工期土压力有所波动，但目前土压力已经基本稳定。

(4)通过对此软质岩边坡典型断面的监测成果综合分析，边坡的变形和应力已经基本稳定，且处于变形和应力正常范围内，可以判定边坡处于稳定状态。

［1］ 中铁第四勘察设计院集团有限公司.土质及软质岩高边坡支挡加固技术深化研究报告［R］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2013.

［2］ 中华人民共和国铁道部.TB10025—2006 铁路路基支挡设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［3］ 中华人民共和国建设部.GB 50330—2002 建筑边坡工程技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［4］ 二滩水电开发有限责任公司.岩土工程安全监测手册［M］.2版.北京:中国水利水电出版社，2008.

［5］ 高俊强，严伟标.工程监测技术及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2005.

［6］ 金海元，徐卫亚，孟永东，等.锦屏一级水电站左岸边坡稳定综合预报研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(10):2058-2063.

［7］ 周勇，朱彦鹏.框架预应力锚杆柔性支护结构坡面水平位移影响因素［J］.岩土工程学报，2011，33(3):470-476.